巨型“泡泡” 藏在天鹅座中，拉索离解开宇宙线起源“世纪之谜”还有多远？

近日，位于四川省稻城县海拔4410米的宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）的科学家，利用“拉索”在天鹅座恒星形成区发现一个直径达1000光年的巨型超高能伽马射线泡状结构，找到了能量超过一亿亿电子伏的起源天体，认证了第一个超级宇宙线加速源。这向解决宇宙线起源之谜迈出重要一步。此项成果2月26日在学术期刊《科学通报》以封面文章形式发表。

宇宙线也称宇宙射线，是来自宇宙空间的高速带电粒子，主要成分是质子，也包含各种原子核、电子以及一些反物质粒子。这些粒子最早由奥地利物理学家维克托·赫斯在1912年通过高空气球实验发现。随后，科学家们通过对宇宙线研究发现大量的基本粒子，推动了粒子物理学的发展。

宇宙线粒子的能量分布范围很广，最高可达3×1020电子伏，超出目前最强大的人造粒子加速器可加速最高粒子能量的千万倍。宇宙线是如何产生，又为何携带这么高的能量，一直困扰着科学家。究竟是银河系内的哪些天体产生了能量最终形成宇宙线，仍然是一个未解之谜，也是近10年来研究的一个热点问题。

2019年开始，“拉索”采用“边建设、边运行”的模式，探测器阵列逐步分批投入科学运行。2020年，“拉索”在11个月内就探测到了12个超高能伽马射线源，并探测到当时最高能量的光子来自天鹅座，高达1.4千万亿电子伏，打开了超高能伽马天文学的窗口。2021年7月完成全阵列建设后，凭借优越的探测器灵敏度，“拉索”在一年内又将探测到的超高能伽马射线源的数量提升到了43个，显示出超强的伽马射线源发现能力。

天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮的区域，拥有多个大质量恒星星团。大质量恒星的寿命只有几百万年，因此星团内部充满了剧烈活动的恒星，具有复杂的强激波环境，是理想的宇宙线加速场所。这个备受关注的区域就成为寻找超高能宇宙线源的最佳天区，成为解开“世纪之谜”的突破口。

随着观测时间和数据的积累，研究团队在天鹅座方向距离地球5000光年的位置发现了一个直径超过1000光年的巨型超高能伽马射线泡状结构。经过3年多的观测积累，“拉索”在该方向记录到66个超过40万亿电子伏的光子，其中8个光子能量超过了1千万亿电子伏。最高能量达到了2.5千万亿电子伏，刷新了最高能量光子的纪录。

在伽马射线泡状结构的中心区域，光子的分布较为集中，相较于泡状结构内平均光子密度明显超出。这表明泡状结构中心必定存在一个宇宙线加速源，向周围持续注入宇宙线，而这个巨型“泡泡”就是由于超级宇宙线加速源产生的。

究竟何种天体能把宇宙线能量加速到如此之高？科学家们认为，处于天鹅座恒星形成区中心区域的大质量恒星星团，是超级宇宙线加速器最可能的对应天体。

星团里的恒星大多年轻、炽热，有些表面温度能达数万摄氏度。这些恒星的辐射强度是太阳的百倍至百万倍。巨大的辐射压将恒星表面物质吹出，形成了强烈的星风，速度可达每秒上千公里。星风与周围星际介质的碰撞以及星风之间的猛烈碰撞，产生了强激波、强湍流的极端环境，成为强大的粒子加速器。当粒子获得足够高的能量后会逃逸出加速区，宇宙线向更广阔的星际空间扩散。

“拉索”的此次发现不仅首次定位了高能天体物理学家们几十年来一直所寻找的拍电子伏宇宙线加速源，而且表明银河系中天体的粒子加速能力，很可能突破了传统认为的拍电子伏极限，对宇宙线起源的研究将产生重要影响。随着观测时间的增加，“拉索”可能将探测到更多的千万亿电子伏乃至更高能量宇宙线的加速源，有望解决银河系宇宙线起源之谜。

（张重阳系中国科学院高能物理研究所工程师，柳若愚系南京大学研究员）